基于MAX114的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學的一個很重要的分支，它研究信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，采集、存儲、處理以及顯示等作業(yè)，在信號處理、智能儀器以及工業(yè)自動控制等領(lǐng)域起到巨大的作用。如工業(yè)生產(chǎn)過程中常常需要對濕度、溫度、壓力、流量等各種工藝參數(shù)隨時進行檢測和監(jiān)控，同時還要將檢測到的數(shù)據(jù)及時傳遞給上位機，以實現(xiàn)對于參數(shù)的隨機查詢，對信息的存儲與處理，及時調(diào)整控制方案，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

但是，在許多其他領(lǐng)域如：雷達通信，地理信息，圖像傳輸，軍工及醫(yī)療化工，為了捕捉，采集，存儲，處理，傳輸和再現(xiàn)瞬間變化的模擬信號（類似脈沖信號），則對數(shù)據(jù)采集速度及效率提出了更高的要求。本文應用單片機89C51作為主控制來實現(xiàn)模擬信號的高速采集、存儲及再現(xiàn)。應用中，單片機只對信號進行中轉(zhuǎn)不對數(shù)據(jù)進行處理，采集的數(shù)字信號傳給DA轉(zhuǎn)換器后，由DA轉(zhuǎn)換器將信號還原成模擬信號。

2硬件組成

設(shè)計的方案主要用于瞬間信號的采集，要求選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換速度比較快，經(jīng)過考慮選用MAX114。89C51單片機的指令執(zhí)行時間（us級）與AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換時間往往不同步^[1]，因此在單片機與AD轉(zhuǎn)換器間加入高速緩存IDT72041，用高速緩存來連接單片機與AD轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

實際應用中，須將瞬間的連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成便于存儲與分析的數(shù)字信號。在這個過程中應盡量避免模擬信號的失真，這就與AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度有極大的關(guān)聯(lián)。在模擬信號的頻率很高時，AD芯片的轉(zhuǎn)換速度就顯得尤其重要。MAX114芯片對輸入的模擬電壓有一定的要求，必須對輸入的模擬電壓進行放大以滿足AD轉(zhuǎn)換芯片的要求^[2]。MAX114的前置放大電路如圖2：

圖2 放大與濾波電路

高通濾波只允許一定頻率的信號通過，清除雜波的影響。MAX114的引腳REF+,REF-所接旁路電容消除干擾。MAX114為四通道的A/D芯片，而我們只需要一個通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，因此A1,A2必須接數(shù)字“0”。根據(jù)需要選擇模式“0”狀態(tài)來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，引腳“5”MODE也必須接數(shù)字“0”。其真值表如表1所示： www.51kaifa.com

表1 MAX114真值表

AD轉(zhuǎn)換芯片MAX114將轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號傳送給高速緩存IDT72041。MAX114的工作時鐘由內(nèi)部時鐘電路提供的時鐘脈沖，緩存寫控制信號也是由該芯片的 “INT”來控制，在AD芯片轉(zhuǎn)換完畢后，“INT”產(chǎn)生一個低電平，這一低電平被傳送給緩存芯片，數(shù)據(jù)即被寫入緩存中并按照先入先出的規(guī)則進行保存。只有當緩存引腳（FF）為高電平，(EF)為低電平時，AD轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)才能被寫入^[3]。

IDT72XX系列是IDT公司推出的先進先出（FIFO）存儲器芯片，它具有雙口輸入輸出，采集傳輸速度快和先進先出的特點，能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?SUP>[4]。

高速緩存IDT72041有這樣一個特點：當緩存芯片被寫滿后，緩存芯片就不再接受外來的寫信號，同時緩存IDT72041的滿位FF變?yōu)榈停瑫r會觸發(fā)單片機的外部中斷。單片機接收到中斷信號后運行片選程序，第二塊緩存開始讀入A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。以此類推，當所有的緩存芯片中的數(shù)據(jù)被全部寫滿后，單片機經(jīng)運用程序傳輸緩存中的數(shù)據(jù)再進行處理。緩存中數(shù)據(jù)全部處理完后重新啟動A/D轉(zhuǎn)換，開始數(shù)據(jù)的采集。

為了保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和采集足夠的數(shù)據(jù)，必須有較大的存儲空間來存放數(shù)據(jù)，為此，本系統(tǒng)中將IDT72041芯片擴展了8片^[5]。擴展中的第一個芯片用FL/RT端接地來表示，其它芯片的FL/RT端接高電平。且每個芯片的“XO”端必須接到下個芯片的“XI”端。并將每個芯片的 “EF”標志相“或”以構(gòu)成新的空標志，每個芯片的“FF”端也相“或”在一起構(gòu)成新的滿標志。RT和HF在字深的擴展中不起作用。這里采用的方式是將8 塊芯片的“ FF”端分別接在單片機的P2口，由單片機來控制寫滿。

在設(shè)計中，當IDT緩存芯片4K的存儲空間被寫滿，緩存的引腳“FF”為低，MAX114轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不能再寫入。同時FF向89C51發(fā)出中斷請求，單片機接收到中斷信號后，用P0口來實現(xiàn)與緩存芯片的數(shù)據(jù)傳送，然后由單片機對存儲于IDT72041中的數(shù)據(jù)進行初步處理。經(jīng)單片機P3.6口（WR）的片選，再將處理過的數(shù)據(jù)傳給DAC0832^[6]。

在硬件電路中，單片機控制IDT72041和DAC0832，MAX114開始采樣時，要用到IDT72041中的D0～D7數(shù)據(jù)線、寫控制端口 WR；當數(shù)據(jù)采樣結(jié)束，即數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲到IDT72041中，單片機就要從IDT72041中讀取數(shù)據(jù)，要用到Q0～Q7線，讀控制端口。在實際的運用中，通過QE腳和/DIR腳置不同的電平來解決信號串擾的問題。通過置QE腳不同的電平可以實現(xiàn)三態(tài)的功能，同時由/DIR腳來確定信號傳輸?shù)姆较颉?/P>

3系統(tǒng)軟件

3.1程序功能www.51kaifa.com

此程序的功能是實現(xiàn)AD芯片MAX114、緩存IDT72041之間的通信以及采樣頻率的控制，各功能分別用進程完成^[6]。程序主體分為五個部分：單片機初始化及對外圍器件的設(shè)置、對緩存的全滿標志位判斷以及該條指令的循環(huán)、對緩存的片選以及將緩存的數(shù)據(jù)傳給單片機寄存器A、對DAC的片選以及將暫存器的數(shù)據(jù)傳給DAC、判斷緩存是否為空以及跳轉(zhuǎn)。

3.2程序各部分的實現(xiàn)

第一部分是單片機的初始化及對外圍器件，主要是對IDT72041的設(shè)置，開始是對89C51的P0、P1和P2口所有的端口置1，接下來是P1.1清“0”，實現(xiàn)IDT72041的復位，對P1.1清“0”，實現(xiàn)對MAX114進行片選，指令如下：

START：SETB P0

SETB P1

SETB P2

CLR P1.0

CLR P1.1

第二部分主要是判斷緩存是否被寫滿。輸入的模擬信號進入該系統(tǒng)，由放大電路先進行放大、整流，進入A/D（MAX114）進行轉(zhuǎn)換，由于A/D芯片的INT腳在每轉(zhuǎn)換結(jié)束一次將產(chǎn)生一個低電平，此低電平驅(qū)動緩存（IDT72041）進行寫入數(shù)據(jù)，由于使用8片緩存，所以會出現(xiàn)數(shù)據(jù)先被寫入哪個緩存的問題，為了提高單片機處理效率，在硬件上將前一個芯片的XO端接下一個芯片的XI端，邏輯“1” 芯片的FL/RT接地，其它芯片的FL/RT接高電平，這樣就可以實現(xiàn)將8個緩存芯片組成一個存儲整體，這樣數(shù)據(jù)將從第一個芯片一直寫到最后一個芯片，8 個緩存的寫滿端“FF”被接在單片節(jié)的P2口，用來判斷每個緩存是否被寫滿。在硬件連接上，將8個緩存已經(jīng)組成了一個整體存儲體，所以在軟件方面，只需判斷P2.7是否為“0”來確定緩存是否被寫滿^[7]，即：

ST：JNB P2.7, ST

第三部分判斷緩存是否寫滿，如果寫滿就中止A/D轉(zhuǎn)換，已被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將全部被存儲到緩存中，指令如下：www.51kaifa.com

SETB P1.1

第四部分對DAC的片選以及將暫存器的數(shù)據(jù)傳給DAC。將首地址存入DPTR數(shù)據(jù)指針寄存器，從緩存中順序讀取數(shù)據(jù)并存入外部RAM，經(jīng)由單片機初步處理后傳送到DAC。指令如下：

MCADTS：MOV DPTR, # 7000H

CLR P2.6

MOVX A,@DPTR

MOV DPTR, #5000H

CLR P2.0

MOVX @DPTR,A

第五部分判斷緩存是否為空，如果不為空將繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，否則程序跳轉(zhuǎn)到初始位置，重復上述過程，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的不斷采集及還原。指令如下：

SA： JNB INT1, MCADTS

SJMP START

結(jié)語：

本文作者創(chuàng)新點為：

本系統(tǒng)運用簡單的MCS-51單片機來實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)采集與還原電路。在操作過程中，將該應用系統(tǒng)按其功能分成各個模塊，對電路進行焊接以及調(diào)試，并進行仿真測試。該系統(tǒng)設(shè)計方案電路簡單，可靠性好，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集的目的。

參考文獻:

【1】 張振榮等，MCS-51單片機原理及實用技術(shù)[M]，人民郵電出版社，1997.5

【2】 MAXIM.MAX114-MAX118[DB/OL]./upload/eWebUpload/200805/2008051509462072.pdf

【3】 李大慶, 段建民, 綦慧, 江存勝. 高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J]. 微計算機信息 , 2006(20)

【4】 Integrated Device Technology. CMOS ASYNCHRONOUS FIFO WITH RETRANSMIT [DB/OL], www.idt.com, 1996(12)

【5】 陳國良,黃心漢. 一種數(shù)據(jù)采集與融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實例[J], 高技術(shù)通訊,2005(07)www.51kaifa.com

【6】 王力,趙慶玲. 基于AT89S51和USB接口的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]電子工程師 , 2006,(11) .

【7】 林焯華,蔣梁中,姚錫凡,王春寶.一個單片機串行數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊的設(shè)計[J]，微計算機信息，2006（29）